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2016年8月13日,由北京西開往深圳北站的G79次高鐵發(fā)生停電故障,上千人被困在40+℃的車廂內(nèi),持續(xù)近2小時,不少孩子和老人出現(xiàn)了不適和脫水現(xiàn)象。高鐵穩(wěn)定運行與其電網(wǎng)電能質(zhì)量密不可分,如何保障高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量成為了當(dāng)下討論的熱點。
圖1 2020年地圖規(guī)劃圖
到2020年,中國將新建高速鐵路1.6萬公里以上,形成以"四縱四橫"高鐵為主骨架的快速鐵路網(wǎng),現(xiàn)在高鐵運行時速達到300km/h,提速至350km/h的呼聲也在不斷增強。
高鐵的穩(wěn)定運行與高鐵電網(wǎng)的電能質(zhì)量密不可分,電能質(zhì)量問題可以導(dǎo)致電網(wǎng)電力故障和列車電力設(shè)備故障。探討高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量問題對高鐵列車的影響,我們就必須要了解高鐵的供電原理和驅(qū)動原理。
高鐵牽引供電系統(tǒng)
圖2 高鐵結(jié)構(gòu)示意圖
高鐵能夠跑起來,依靠的是牽引供電系統(tǒng)給高速列車提供電力。電氣化鐵路的牽引供電方式主要有:BT(吸流變壓器)供電方式、AT(自耦變壓器)供電方式和TR直接供電方式。由于高速鐵路功率大,牽引電流較大,因此一般采用功率輸送能力較強的AT供電方式,典型的AT供電系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 典型的AT供電系統(tǒng)
引供電系統(tǒng)主要由牽引變電站(變電所)、自耦變壓器AT、接觸網(wǎng)T、回饋線F、鐵軌R及高速列車組成?;驹頌椋籂恳冸娬緸檎麄€牽引系統(tǒng)提供電 源,電流從牽引變電站流出,通過接觸網(wǎng)給高速列出提供電能,然后通過回饋線流回牽引變電站,AT供電方式的工作原理如圖4所示。
圖4 AT工作原理圖
高速鐵路供電是按照"供電段"來進行劃分的,平均數(shù)十千米/座。每個變電站伸出兩個供電支,提供不同相的電流。列車經(jīng)過兩個變電站的"供電段"時, 先后通過A1-B1-A2-B2四個供電支。為保證供電,每個供電支之間采用電氣絕緣(隔離)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,因此各供電支之間不會短路。列出從一個供電 支運行到另一個供電支是瞬時完成的。供電段示意圖如圖5所示。
圖5 供電段示意圖
高鐵驅(qū)動原理
牽引供電系統(tǒng)為高鐵提供電力,高鐵依靠電力來獲得動力,圖6是高鐵的驅(qū)動原理示意圖?;驹頌椋焊咚倭熊囃ㄟ^受電弓與接觸網(wǎng)接觸將高壓交流電取回 車內(nèi),然后通過變壓器降壓和四象限整流器轉(zhuǎn)換成直流,在經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成可調(diào)幅調(diào)頻的三相交流電,輸入三相異步/同步牽引電機,通過傳動系統(tǒng)帶動車輪運行?! ?/p>
圖6 高鐵驅(qū)動原理圖
高鐵電能質(zhì)監(jiān)測分析
高鐵是一種特殊的大功率單相負(fù)荷,對于三相對稱的電力系統(tǒng)來說,高鐵牽引負(fù)荷具有波動性、非線性、不對稱性等特點。
1、負(fù)荷波動與沖擊
列車在運行中的加速、惰行、制動等因素都會引起牽引變電站負(fù)荷的波動,特別是列車從一個供電支變換到另一個供電支時,其瞬間造成的負(fù)荷波動和沖擊是 非常巨大的,巨大的負(fù)荷波動和沖擊會引起電網(wǎng)電壓的異常波動。圖5是高鐵牽引變電站24小時內(nèi)有功功率變化情況,可以看出高鐵牽引變電站負(fù)荷波動和沖擊非常大。
圖7 牽引變電站有功功率曲線
2、非線性
從高鐵的驅(qū)動原理可以看出,高鐵采用交-直-交的PWM變流器技術(shù),把工頻交流電經(jīng)過整流逆變轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)幅調(diào)頻的三相交流電為牽引電機供電,這是一 個非線性的過程,不可避免的會產(chǎn)生的大量的諧波。此外,整個列車電源還要向車內(nèi)的空調(diào)、照明等非線性負(fù)荷供電,這些非線性設(shè)備也會產(chǎn)生大量的諧波。
3、不對稱性
高鐵采用單相供電制,且牽引網(wǎng)兩個供電支的負(fù)荷不可能保持一致,因此對于三相電網(wǎng)來說,屬于不對稱性負(fù)荷,會產(chǎn)生負(fù)序電流,造成牽引變電站外接電網(wǎng)三相不平衡。
高鐵電能質(zhì)量危害
圖8 運行中的高鐵
高鐵在行駛過程中產(chǎn)生的諧波、負(fù)序分量以及電壓波動等電能污染,對高鐵電力系統(tǒng)的可靠性造成了嚴(yán)重的影響。高鐵電網(wǎng)電能污染對高鐵電力系統(tǒng)主要有以下影響:
影響電網(wǎng)的可靠性:高鐵列車運行產(chǎn)生的大量高次諧波通過牽引變壓器注入牽引變電站,引入電力系統(tǒng),并與系統(tǒng)的"背景負(fù)荷"產(chǎn)生的的負(fù)序源疊加,使得系統(tǒng)內(nèi)部電網(wǎng)的3次、5次諧波在諧振時嚴(yán)重放大,進而導(dǎo)致電網(wǎng)故障;
影響電力設(shè)備的穩(wěn)定運行:高鐵牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波和負(fù)序分量會造成設(shè)備損壞,減少設(shè)備壽命或降低效率,甚至?xí)τ嬎銠C、通信、電力系統(tǒng)繼電保護裝置等設(shè)備造成工作失誤或性能劣化,可能導(dǎo)致越級跳閘而擴大事故或者導(dǎo)致主變、線路跳閘。
可以看出高鐵電網(wǎng)電能污染不僅影響鐵路自身小局域電網(wǎng)的穩(wěn)定,也會通過牽引變電站對外部電網(wǎng)造成影響。無論是對自身電網(wǎng)還是對外部電網(wǎng)的影響,都會威脅到高鐵運行的穩(wěn)定。
高鐵電能質(zhì)量治理
高鐵電力系統(tǒng)的可靠性決定了高鐵列車運行的可靠性。因此對高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測治理就顯得尤為重要了。高鐵的牽引變電站之間是相互獨立的,供電支之間也是相互隔離的,所以對高鐵電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測,就需要對每個供電支進行在線式的監(jiān)測,然后匯總到后臺主機,進而實現(xiàn)對整個高鐵電網(wǎng)的實時監(jiān)測。
圖9 高鐵電網(wǎng)